亚里士多德和阿里斯塔克斯的观点

在此，我们跳过中国和印度，直接探讨古希腊天文学家的成就。亚里士多德（公元前384—前322）是古希腊最具影响力的天文学家。他声称，关于自然的知识应建立在观察的基础上。这一观点相对于主张知识应来自纯粹推理的柏拉图而言已是巨大的进步。然而，亚里士多德并不是时时刻刻都能言行一致，他自己也常常陷入柏拉图的思维陷阱。此外，亚里士多德还经常从自己的观察中得出错误的结论。

亚里士多德认为地球、太阳和月球为球形；地球静止地处于宇宙中心，所有天体围绕地球旋转。在这一构想中，太阳和恒星每天绕地球转一圈。现在我们都知道，是地球绕其轴线每天自转一圈这一事实造成了观察者眼中太阳和恒星绕地球公转的错觉。

亚里士多德关于地球和天空的大多数观点来源于更早期的希腊哲学家，包括毕达哥拉斯和柏拉图。谁又能责怪亚里士多德呢？地球看上去确实像是在宇宙的中心呀。

我所知的第一个声称地球是球形的古希腊人是毕达哥拉斯（卒于公元前497年）。毕达哥拉斯并没有拿出任何证据来证明自己的信仰，而是基于美学欣赏做出了这一论断。另外，相信“地心说”的亚里士多德却给出了几个证据，其中最具说服力的是在月食过程中，地球的阴影在掠过月球表面时看上去像是圆的一部分。

后来，出生于现在叫作利比亚的那块土地，并在雅典和亚历山大港生活的埃拉托色尼（生于公元前约276年，去世时间未知）进行了一次测量，估算出了地球的周长。他听说在夏至日那天（6月21日）正午，在一个叫作赛伊尼（今埃及的阿斯旺）的地方能看见太阳正当头顶。当时住在亚历山大港（位于赛伊尼北方）的埃拉托色尼发现，一根木棍的阴影形成了一个大约7度的角，这个角大约为一个完整的圆的五十分之一。（该角为木棍与木棍顶端和阴影顶端之间连线的夹角。）他查询了赛伊尼和亚历山大港两地之间的距离，于是便计算出了地球的周长约为两个城市距离的50倍。我们不清楚埃拉托色尼测量距离时使用的是哪种计算单位，但是他离计算出地球的准确周长，即我们现在所说的约40234千米，已经十分接近了。

现在让我们又回到亚里士多德。在亚里士多德看来，地球和它的“邻居们”都是由四种元素构成：土、气、水、火。天空则由第五种物质构成，他称这种物质为“以太”（ether）或“第五元素”（quintessence）。现在看来，亚里士多德当时的主张是幼稚的。例如，他所说的“土”中便包含了各种各样的物质，只需看一看泥土中形色各异的物质便可得知。如今我们知道，这些形形色色的物质都是由不到100种自然物构成的，我们把这种自然物称为“元素”。在以后的章节中我们将更加深入地对这些元素进行探讨。

古希腊天文学家，生活于萨摩斯岛的阿里斯塔克斯（公元前310—前230）通过几何方法演绎出了地球、太阳和月球的相对大小。当他发现太阳要远远大于地球时，他得出了地球围绕太阳运动的结论，因为他不相信体积大的天体会围绕体积小的旋转。地球围绕太阳运动这一观点被称为“日心说”。

同时，阿里斯塔克斯相信地球围绕地轴旋转，由此产生了日夜之分。他还认为地轴相对黄道面（地球绕太阳公转的轨道平面）是倾斜的。对于这些观点，阿里斯塔克斯没有留下任何的文字资料，不过，从伟大的古希腊物理学家阿基米德（公元前287—前212）对他的引用中便可以窥见一二。

在接下来的几个世纪里，阿里斯塔克斯的观点并没有得到广泛认同，原因之一是亚里士多德的影响力太大了。而且，当时大家所谓的“常识”也与亚里士多德的理论“交相辉映”。要是地球自己在旋转，那我们为什么感觉不到呢？为什么我们没有被甩出去？亚里士多德时代的古希腊人无法解释这些问题，因为他们还不知道有惯性和重力这回事。惯性和重力这两个概念要到16世纪后才为人所了解，我们将在下面的章节中进行讨论。

继阿里斯塔克斯之后最伟大的古希腊天文学家是生活在公元前两世纪的希帕克。通过运用三角术，他对阿里斯塔克斯的著作进行了改进，得出了地球、太阳和月球之间相对大小的更为精确的数值。不过，希帕克同意亚里士多德关于太阳围绕地球旋转的观点，而不是相反。

希帕克同意“地心说”的原因在于，如果地球围绕太阳旋转，那么在地球上观察恒星时，恒星的位置便处于不断变换之中。这一位置变换就是“恒星视差”，但希帕克并没有观察过这一现象。想要理解视差，你可以在眼前30厘米处竖起一根手指，先闭上左眼，用右眼观察手指，然后闭上右眼，用左眼观察。用不同眼睛观察手指时，手指好像处在不同位置。产生这一现象的原因是两只眼睛分开两边，它们在观察手指时采取的角度不一样。手指在两次观察中显现出的不同位置之间的角距离即视差。已知两眼之间的距离，便能通过视差角算出手指的距离。物体离我们越远，我们在不同位置观察它时产生的角距离越小。同时，我们不仅仅局限于两眼之间所看到的不同角度。对于距离十分遥远的物体，我们可以在地球上的不同位置进行观察，看看角度有何变化。然后，可以通过在不同地方观察物体时角度的变化幅度计算出物体的距离。

如果地球围绕太阳旋转，那么在冬天和夏天的时候，恒星所处的位置应该会不同，因为地球在这两个时间正处于其轨道的对面位置。以更远的恒星为背景，某一天体在两个不同地点的观测中呈现出的位置差被称为“恒星视差”。见图1.2。

图1.2　恒星视差。当地球位于其轨道上的A点时，近距离恒星看上去离远距离恒星C较近，而当地球位于B点时，近距离恒星看上去又离D较接近。如此看来，以远距离恒星为参照的话，近距离恒星显然处于移动之中。该图不按比例尺绘制

然而，由于希帕克没有观察到恒星视差，所以他便断言地球根本没有在移动。希帕克寻找恒星视差的想法本身没有错，现在我们使用望远镜是能够观察到离地球距离较近的恒星视差的。然而，随着被观察对象离我们的距离变大，视差的值随之减少，所以就希帕克而言，其所拥有的测量设备就连最近恒星的视差都无法观测得到。他所拥有的观测设备就是他自己的眼睛。于是，希帕克与“日心说”擦肩而过，因为他不相信恒星距离我们如此遥远。

生活在亚历山大港的天文学家克劳迪亚斯·托勒密活跃于公元2世纪。他对当时盛行的思想进行了汇编，并通过观测，加入了自己的一些观点。在托勒密系统中，地球静止不动，位于宇宙的中心，太阳、月球、恒星、行星环绕地球运动，运动轨迹为圆。所有恒星固定于一个每24小时自转一圈的“天球”上。行星则固定在另一个天球上，因为参照恒星来看，行星处在移动之中。

为了让其设想符合严密的观测，托勒密不得不假定行星的运动轨迹是一种叫作“本轮”的小圆，而“本轮”的圆心则在更大的圆形轨道上绕地球做圆周运动。本轮概念的首次提出是在托勒密前大概400年。那时，人们通过观测注意到，行星的运行轨道并不是亚里士多德圆。圆应有“完美的”弧线，因此，行星的运动轨道便被描述为圆中的圆。

当托勒密的系统被介绍给卡斯蒂利亚·列昂的国王阿方索十世（1221—1284）时，据说当时国王说道：“要是神在创造宇宙时问问我的看法，我一定建议他把宇宙造得简单点。”